MESI

MESI (Modified Exclusive Shared Invalid) ist ein Protokoll zur Wahrung der Cache-Kohärenz in speichergekoppelten Multiprozessorsystemen. Das MESI-Protokoll wurde zuerst von Forschern der Universität von Illinois veröffentlicht. Es wird auch oft als Illinois-Protokoll bezeichnet.

Da in speichergekoppelten Multiprozessorsystemen jeder Prozessor einen Cache besitzt, muss festgelegt werden, ob einer der Caches oder der Hauptspeicher den aktuellen Wert eines Datums enthält. Ein System heißt cache-kohärent, wenn es zu jeder Zeit garantiert den aktuellen Wert eines Datums beschaffen kann, auch wenn sich dieser in einem anderen Cache befindet.

Beim MESI-Protokoll werden jeder Cache-Line zwei Statusbits zugeordnet, durch die einer der folgenden vier Zustände beschrieben wird:

1. (exclusive) Modified: Diese Cache-Line wurde lokal geändert. Die im Hauptspeicher befindliche (alte) Kopie ist daher ungültig. Will ein anderer Rechner diese Daten im Hauptspeicher lesen, so muss die Zeile zuerst vom Cache-Speicher in den Hauptspeicher zurückgeschrieben werden.
2. Exclusive (unmodified): Dieser Cache ist der einzige, der diesen Datenblock enthält. Der Wert im Hauptspeicher ist gültig. Liest ein anderer Rechner diese Daten im Hauptspeicher, so muss die Zeile als Shared gekennzeichnet werden. Werden die Daten im Hauptspeicher verändert, so müssen sie im Cache als ungültig erklärt werden, damit sie beim nächsten Zugriff neu aus dem Hauptspeicher geladen werden.
3. Shared (unmodified): Mehrere Caches enthalten diesen Datenblock. Da alle aber bisher nur gelesen haben, ist der Wert im Hauptspeicher gültig. Schreibzugriffe auf eine Shared-Zeile müssen immer zu einem Zugriff auf den externen Bus führen, um den Hauptspeicher nachzuführen, damit die Zeilen in anderen Cache-Speichern als ungültig erklärt werden können.
4. Invalid: Der Inhalt dieser Cache-Line ist nicht aktuell oder es befindet sich noch gar kein Wert in dieser Cache-Line (Compulsory Miss).

Die Übergänge zwischen diesen vier Zuständen können nun auf zwei verschiedene Arten ausgelöst werden: Entweder

• direkt durch das Schreiben oder Lesen der Daten vom Programm
• indirekt durch das Belauschen (Bus snooping) der Aktionen eines anderen Prozessors auf dem Bus durch den Cache. Dabei bedient sich ein Cache folgender Steuersignale:

1. Invalidate-Signal: Invalidieren der Zeile in den Caches anderer Prozessoren.
2. Shared-Signal: Signalisierung, ob ein zu ladender Speicherblock bereits als Kopie im Cache vorhanden ist.
3. Retry-Signal: Aufforderung an einen Prozessor, das Laden eines Blockes aus dem Hauptspeicher in den Cache abzubrechen, da der Hauptspeicher noch ein altes, ungültiges Datum besitzt und vorher aktualisiert werden muss. Das Laden kann danach wiederholt werden.

Ein Prozessor kann auf eine einzelne Adresse im Speichersystem schreibend oder lesend zugreifen. Entsprechend lösen Lese- und Schreiboperationen eines Prozessors Bustransaktionen aus. Beim MESI-Protokoll gibt es folgende Bustransaktionen:

1. Bus-Read (BusRd): Das Signal wird auf den Bus gelegt, wenn ein Prozessor das Datum bzw. den Wert eines Speicherblocks lesen will.
2. Bus-Read-Exclusive (BusRdX): Signal wird auf den Bus gelegt, wenn ein Prozessor das Datum eines Speicherblocks überschreiben will.
3. Flush: Dieses Signal wird erzeugt, wenn ein Prozessor alleinig (evtl. noch der Hauptspeicher) das aktuelle Datum einer Speicherzelle in seinem Cache hat und ein weiterer Prozessor versucht, auf die gleiche Adresse dieser Speicherzelle lesend oder schreibend zuzugreifen. Wenn das Signal Flush auf dem Bus erscheint, so wird ebenfalls das Datum der entsprechenden Speicherzelle auf den Bus gelegt.

Die Lese- und Schreiboperationen sowie die dadurch direkt und indirekt erzeugten Bustransaktionen legen das Verhalten des Zustandsautomaten fest, der durch das MESI-Protokoll definiert ist (siehe Abbildung).